四段式多项选择测试在中学化学相异构想诊断中的应用研究

严文法 孙杰英

摘要： 利用自编的四段式多项选择测试题为研究工具，以初中化学“酸、碱、盐”为例，对233名学生进行测试。结果显示，被试在“酸、碱、盐”主题存在38个错误认识，其中有23个是典型相异构想，参考Caleon等人的标准，这23个典型相异构想中有13个真性相异构想和10个假性相异构想。研究还发现被试存在“高信心指数错解”和“低信心指数正解”的情况。

关键词： 四段式多项选择测试; 相异构想; 酸碱盐

文章编号： 10056629（2019）1002306      中图分类号： G633.8      文献标识码： B

1 问题提出

学生开始学习科学概念时，不是“脑子空空如也地进入课堂”，而是将自己对自然现象的各种想法和经验带到课堂或实验室，这些想法或者经验往往与科学概念不同，研究者把这些与科学上公认的科学概念不一致的观念或想法称为相异构想（Alternative Framework）[1]。初中化学酸碱盐知识具有较强的综合性和系统性，是教学的重难点，也是初中化学核心概念之一，深刻影响到化学平衡、化学反应、物质性质、溶液等知识的学习[2]。由于该部分内容涉及的概念较多，且学生在日常生活和先前的学习中已经形成了一些区别于科学概念的相异构想，加之相异构想具有隐蔽性、顽固性、形成的长期性等特点，往往造成学习困难，阻碍学生对科学概念的学习，因此诊断并转变学生持有的相异构想是非常有必要的[3]。

以有效可靠的方式诊断学生的相异构想是处理学生头脑中与科学概念不一致的想法的关键一步[4]。目前，国际上探查学生相异构想最常用的工具之一是Treagust开发的二段式诊断试题，国内外已有不少二段式测试题在相异构想诊断中的运用研究[5～8]，这些研究普遍以选择题的错选人数在总人数中的占比高低来确定学生是否具备相关内容的相异构想，缺乏对相异构想性质和强度的分析，将学生的错选结果等同于学生持有的相异构想，可能会高估学生的相异构想。正如Tan等人指出，学生在测试中出现的所有错误并不都是因为相异构想，有的可能是缺乏知识或者对答案的错误猜测而导致错误，这种情況不应被视为相异构想[9]。Caleon等人也指出，二段式测试虽然能够洞察学生的推理过程，但缺乏对相异构想程度的探究，且无法区分被试是由于存在相异构想还是缺乏知识导致错选，也无法区分被试是通过猜测还是真正掌握了科学知识而得到正解[10]。为了克服二段式的缺陷，Caleon等人开发了四段式多项选择测试，即在二段式测试中纳入“信心指数（Confidence Rating）”，信心指数是指个体对自己表现水平的评估及判断[11]。具体操作是在二段式的答案层和原因层之后各设置一个“信心指数段（Confidence Tier）”，即0%（完全猜测）～100%（完全肯定）的百分数轴，学生可以在数轴的任意位置标出自己的信心指数，由此形成四段式多项选择测试。有关四段式的研究一致表明，在信心指数的辅助下，不仅可以有效诊断学生持有的相异构想，还可以确定相异构想的性质和强度，在一定程度上提高了客观题的评价能力[12～14]。

综上分析，本研究旨在将信心指数与学生概念相结合，开发并利用自编的四段式多项选择测试题为研究工具，调查初三学生在酸碱盐概念理解方面持有的相异构想，并借助信心指数相关参数确定相异构想的性质和强度，从而为有效地进行概念转变教学提供可靠依据。

2 研究方法

2.1 被试

在研究工具试测与修正阶段，抽取西安市一所普通初中作为样本，整群抽取初三两个平行自然班作为样本班，总计89名被试。在正式测试阶段，整群抽取西安市、克拉玛依市和西宁市各两所普通初中共计6个初三平行自然班的233名学生作为被试。

2.2 研究工具与施测

2.2.1 编制四段式多项选择测试题

Sreenivasulu和Subramaniam（2014）指出，四段式多项选择测试实际上是对二段式测试的改良，其开发步骤与Treagust提出的二段式诊断工具的编制流程基本一致[15]。因此本研究首先对《义务教育化学课程标准（2011年版）》、义务教育教科书《化学》（人教版）和中考考试大纲中的酸碱盐知识进行文本分析并梳理出相关知识点，在此基础之上，严格按照Treagust的“三阶段十步骤”流程[16]，围绕酸的概念理解、酸的性质、碱的概念理解、碱的性质、盐的概念理解、盐的性质以及酸碱盐之间的反应这7个主题设计项目，编制了四段式多项选择测试题——《初中化学“酸、碱、盐”相异构想诊断测验（初稿）》。

2.2.2 试测并修正诊断测验

为了进一步修订测试题，确保学生能够读懂题意、明确作答方式，并在规定的时间25分钟内完成作答，选取西安市某初级中学的89名初三学生进行试测。规定每个项目同时回答正确计1分，否则0分，总分14分，对试测结果用SPSS 22.0软件进行可靠性分析，问卷的Cronbachs alpha值为0.710，稍微偏低。Adams和Wieman（2011）认为，针对概念的诊断性测试因其具有一定的探索性，所以具有较低的Cronbachs alpha值是可以的[17]。通过试测与修订，最终形成了《初中化学“酸、碱、盐”相异构想诊断测验》，测试题共14个题目，具体的研究内容和测试内容见表1。

2.2.3 正式测试

正式施测的233名初三学生来自西安市、克拉玛依市和西宁市，被试之前均未参与试测并且已经学完了酸碱盐的相关知识，对酸碱盐及其相关内容有了一定的了解。本次共发放233份测试题，收回233份，回收率为100%，剔除那些没有作答完全和没有标记信心指数的样本，有效样本215份，有效回收率为92.3%。

3 研究结果与分析

3.1 数据处理方法

参考Caleon和Bretz等人的标准[18～22]，信心指数以50%为界，当学生对自己作答的实际情况进行相应的信心评级时，会出现表2中的几种情况。

基于研究目的，本研究采用两条计分规则： （1）答案层和原因层分别计分，正确计1分，错误计0分;（2）若要获得某个项目的得分，仅答案层和原因层同时正确时计1分，否则0分，总分14分。数据采用Excel 2007和SPSS 22.0进行统计分析，为了确定相异构想的性质和强度，还将借助信心指数的相关参数来帮助分析，分别是平均置信度（CF）、正确置信度（CFC）、错误置信度（CFW）。

3.2 数据分析

表3列出了四段式测试题各题的正确率、正确置信度（CFC）和错误置信度（CFW）。从表3发现，题目的正确率介于6.5%～77.7%，平均正确率为38.0%，被试答对的信心指数介于62.0%～83.8%，平均值为73.9%，表明即使选择正确，被试仍然对自己的选择不自信，出现“低信心指数正解”的情况;答错的信心指数介于54.7%～76.8%，平均值为59.5%，出现“高信心指数错解”的情况。以上结果表明，学生对酸碱盐这部分知识掌握程度不佳，具体而言，学生在酸碱盐主题存在高达38个错误认识，这个数据一方面说明利用四段式多项选择测试诊断学生的相异构想是有效的，另一方面说明初三学生在酸碱盐主题没有建立良好的理解，存在较多的相异构想。

然而，并不是所有的错误认识都是由于相异构想造成的。Tan等人指出，选择题中每个选项或者选项组合都有被随机选中的概率，若某个选项或选项组合的被选概率高于该选项或选项组合被随机选中概率的10%，那么涉及到的相异构想则被认为是“典型的（Significant）”，典型相异构想需要引起教师的注意并对原因做深度分析[23]。Caleon又对典型的相异构想做了更细致的分类，将平均信心指数高于50%的归为“真性（Genuine）相异构想”，将平均信心指数小于50%的归为“假性（Spurious）相异构想”。

按照以上标准，本研究使用的四段式测试均以选择题的形式呈现，有两种格式： （1）每个项目共7个备选项，其中，答案层3个，原因层4个，这7个备选项共12种组合方式，每种选项组合被随机选中的概率是8.33%，根据Tan等人的标准，若某个选项组合被选中的概率大于18.33%的话，涉及的相异构想就是典型的;（2）每个项目共8个备选项，其中，答案层和原因层均有4个备选项，共16种组合方式，每种组合被随机选中的概率为6.25%，按照Tan的标准，若某个选项组合被选中的概率大于16.25%，那么涉及到的相异构想就是典型的。综上分析，诊断出的38个错误认识中有23个典型相异构想，其中13个是真性相异构想，另外10个是假性相异构想（详见表4）。真性相异构想大多数都是顽固的，需要教师格外注意，假性相异构想往往是由于猜测或者缺乏知识而导致，可以通过教学及时补救[24]。真性相异构想相对假性相异构想而言更加顽固，具有形成的长期性、持续性等特点，有研究结果证实，学生的真性相异构想即使经过一段时间的教学也不一定发生转变或者完全转变[25]。

從表4我们可以看出，被试对酸碱盐知识没有建立很好的理解，在酸的概念理解、酸的性质、碱的概念理解、碱的性质、盐的概念理解、盐的性质以及酸碱盐之间的反应这7个主题存在不同程度的相异构想。

（1） 酸碱盐概念理解的相异构想

在酸的概念理解方面存在4个典型相异构想，其中“能电离出H+的化合物就是酸”和“酸溶液中没有OH-，碱溶液中没有H+”这两个是真性相异构想，平均信心指数分别为66.4%和63.5%，表明被试对“酸”概念的内涵和外延没有恰当把握;在碱的概念理解方面也同样存在困难，3个典型相异构想全部信心指数高于50%，均为真性相异构想，误以为“化学式中含有OH基团就是碱”、“能电离出OH-的就是碱”，研究还发现在进行物质判断时，不是从概念内涵出发而是利用物质性质去判断，从而出现诸如“纯碱溶液pH>7，所以纯碱是碱”之类的错误理解;在盐的概念理解方面，虽然诊断出4个典型相异构想，但只有“盐是只由金属离子和酸根离子组成”这一相异构想是真性的，该相异构想的被选率高达46.0%，且信心指数为63.4%，这与教材的编写和教师的教学不无关系，例如有的教材编写和教师在教学中过分强调由金属离子和酸根离子组成的化合物就是盐，给学生造成盐是只由金属离子和酸根离子组成的心理暗示。

（2） 酸碱盐性质理解的相异构想

对酸的性质来说，3个典型相异构想中有2个真性相异构想，由于数学知识的负迁移，误以为“酸性溶液pH越小，酸性越弱”，还有部分学生混淆了酸浓度与酸性强弱的关系，认为“浓酸即强酸”;对于碱的性质而言，有26.5%的被试缺乏将宏观、微观、符号三者联系起来的能力，误以为“碱具有共性是因为碱都含有H、O元素”，还有学生混淆了碱溶液与碱性溶液的关系，认为碱性溶液就是碱溶液，所以出现“能使酚酞变红的就是碱溶液”这种真性相异构想;由于相异构想自身具有负迁移性和关联性的特点，导致在酸和碱的性质方面理解不好的学生，在盐的性质方面也存在困难，例如持有“酸性溶液就是酸溶液”、“碱性溶液就是碱溶液”这类相异构想的学生错误地认为“盐溶液都是中性的”，有22.3%的被试对此坚信不疑，并伴随着55.4%的信心指数，是一个真性相异构想，需要引起教师的注意。此外，教材中一些例证的误导也可能导致学生产生相异构想，例如对中和反应的介绍，教材中只做了HCl和NaOH反应的定性实验，缺少定量分析，且该实验中生成的盐恰好是中性盐NaCl，这会导致学习者把这种特殊例证迁移到一般性事物中，致使学生误以为中和反应生成的盐都是中性的，进而产生“盐溶液都是中性的”这一相异构想。

（3） 酸碱盐之间反应的相异构想

酸碱盐三者还能相互发生反应，研究发现学生没能对酸碱中和反应和复分解反应建立科学认识，探查出的5个典型相异构想中有2个真性相异构想，分别是“酸性物质与碱性物质的反应就是中和反应”、“复分解反应发生的条件是有沉淀、气体和水生成”，这都是典型的概念表化现象，且后者的被选概率高达47.0%且伴随着70.3%的高信心指数，表明学生只是死记硬背地记住了复分解反应的规律和发生条件，对事物的认识处于表象、局部的状态，没有从根本上去理解概念内涵，没有区分关联词“和”、“或”的意义，从而导致学生对复分解反应发生的条件具有较高水平的相异构想。

除了上述提到的典型相异构想以外，还有一些错误认识尽管没有达到典型相异构想的标准，但也在一定范围内存在。比如研究发现部分学生认为指示剂的变色原理是酸碱指示剂使溶液变色而不是溶液使酸碱指示剂变色，这是以往研究中没有诊断出的相异构想。针对这种情况，为了帮助学生获得科学认识，加深对知识的理解，需要教师在实际教学中注意重点讲解，注意区分这些容易产生混淆的知识点，避免学生产生错误认识。

4 结论与讨论

本研究采用四段式多项选择测试诊断学生在某一主题的相异构想是有效的，纳入信心指数可以帮助研究者或教师更加精确、准确地确定相异构想的种类、性质和强度。本研究共诊断出学生在酸碱盐主题存在高达38个错误认识，包括23个典型相异构想。其中有13个真性相异构想，10个假性相异构想。可见，在信心指数的辅助下，四段式题目较敏锐、客观、有效地呈现了被试的酸碱盐知识水平，在一定程度上提高了客观题的评价能力。

通过研究还发现，学生相异构想的来源是多样化的。对相异构想的成因以及相应的教学建议总结如下：

（1） 日常生活经验。化学与日常生活联系的密切性决定了日常生活经验是学生相异构想的来源之一，如“酸尝起来有点苦”、“碱都是有毒有害的”、“盐即食盐”、“盐都可以食用”等。这些相异构想不仅会阻碍当下的概念学习，还会对后续知识的学习产生影响，因此教师在进行概念教学时，首先要承认学生头脑中存在的相异构想，然后通过访谈、概念图、二段式测试以及四段式测试等具体有效的方法诊断出学生的相异构想。

（2） 教师教学中使用的错误类比、知识的负迁移。在教学过程中适当地运用类比，将对教学起到事半功倍的效果，但是如果类比使用不恰当或者使用错误的类比，就可能导致错误的理解，甚至造成相异构想。知识的负迁移既可能发生在学科内，也可能发生在学科间，例如受数学知识的影响，学生错误地认为“酸性随着溶液pH的减小而减弱”。除此之外，在教学中过分强调结果而不重视过程，过分强调结论和现象，忽略某些细节性的部分，也可能导致相异构想。对此，教师在教学中应该注意使用正确、规范的化学用语，应重视正例和反例的辨别，强化对概念的理解。

（3） 教材中一些例证的误导。教材中一些例证的误导也可能导致学生产生相异构想，例如对中和反应的介绍只利用HCl和NaOH做了定性实验，缺少定量分析，且该实验中生成的盐恰好是中性盐NaCl，致使学生产生“中和反应生成的盐都是中性的”、“盐溶液都是中性的”、“中和反应后溶液的pH为7”之类的相异构想。此外，还有部分学生混淆了化学科学概念“中和反应”与日常概念“中和”的意义，也会导致学生对中和反應概念产生错误认识。因此，教师教学时应该引导学生厘清概念，对科学概念与日常概念进行区分，还应注意加强化学实验教学，给学生提供丰富的感性认识。

（4） 教学阶段的分段影响。教材是学生学习的主要参考工具，而考虑到化学教学的阶段性和学生认知发展的阶段性，初中化学教材中对有的内容进行删减和简化，以减轻学生的认知负担。这会导致学生理解上出现偏差，同时，给教师的教学也带来一定的困扰。比如考虑到学生的认知负担，不能直接提出碱性盐这个概念，只能让学生死记硬背地记住“碳酸钠是显碱性的盐”这一结论，国外有关酸碱化学心智模型的研究表明学生通常会采用记忆策略学习酸碱概念，一段时间后学生可能会遗忘先前学过的科学概念，这个时候就很容易回到相异构想，又会认为“纯碱是碱”。鉴于此，教师在教学中既要考虑到概念发展的渐进性，又要保证知识的正确性与科学性，否则后期的纠正会非常困难。

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